形狀記憶聚合物薄膜的制備及其性能研究.pdf

1、作為新一代的功能型材料，形狀記憶聚合物能夠通過多種驅(qū)動方式從臨時(shí)形狀回復(fù)到原始形狀，具有良好的結(jié)構(gòu)承載能力、回復(fù)變形能力、質(zhì)量輕和成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于從生物醫(yī)學(xué)到航空航天等多個(gè)重要領(lǐng)域。近年來，形狀記憶聚合物研究工作的廣泛開展，極大地推動了智能變形結(jié)構(gòu)的發(fā)展和一些關(guān)鍵器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，如空間可展開結(jié)構(gòu)、可變彎度機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)和可調(diào)諧微納光學(xué)器件等智能變形結(jié)構(gòu)。但這些智能變形結(jié)構(gòu)多集中于形狀記憶聚合物宏觀尺度的形狀記憶回復(fù)特性研究。本文利

2、用先進(jìn)的光學(xué)傳感技術(shù)對多尺度形狀記憶聚合物固化制備過程及彎曲變形過程進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到其固化過程中材料內(nèi)部溫度及應(yīng)變的變化歷程，材料的熱力學(xué)參數(shù)(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹系數(shù))，形狀記憶聚合物彎曲變形回復(fù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和最終回復(fù)形狀。根據(jù)研究結(jié)果與新興的微納加工技術(shù)研制具有表面微結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物薄膜，通過測試和分析其形狀記憶、光學(xué)和力學(xué)特性，將其應(yīng)用于可調(diào)諧微光學(xué)薄膜器件的設(shè)計(jì)研制中，拓展了形狀記憶聚合物在微光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，主要

3、內(nèi)容如下：
　　首先，針對形狀記憶聚合物材料在多種智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用需求，利用光纖光柵作為傳感單元對形狀記憶聚合物材料在固化過程中的熱力學(xué)性能進(jìn)行了測試分析。根據(jù)光纖光柵的光譜變化情況對形狀記憶聚合物樣件的制備過程進(jìn)行全程動態(tài)監(jiān)測，分析樹脂固化過程中的化學(xué)反應(yīng)和流變行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了樹脂整個(gè)固化過程中的收縮反應(yīng)、模量演變和粘彈特性等熱力學(xué)性能的演變過程，同時(shí)獲得了形狀記憶聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及其固化后的熱膨脹系數(shù)，為進(jìn)一步研

4、究形狀記憶聚合物薄膜結(jié)構(gòu)提供有效的材料性能支撐。
　　其次，針對形狀記憶聚合物在多種可展開變形結(jié)構(gòu)的實(shí)際服役過程中彎曲變形特點(diǎn)，提出了展開變形過程中的彎曲變形假設(shè)。對于尺度相對較大的薄板結(jié)構(gòu)，采用額外傳感單元，基于傳感器表面粘貼式和埋入式的應(yīng)變傳遞理論，利用光纖光柵作為曲率角度傳感器，通過以上兩種形式對形狀記憶聚合物薄板樣件進(jìn)行了大變形彎曲展開回復(fù)過程的監(jiān)測研究。對于尺度相對較小的薄膜結(jié)構(gòu)，將傳感單元衍射光柵直接復(fù)刻于薄膜表面，利

5、用薄膜彎曲變形時(shí)引起的光柵柵距的變化即衍射光斑的變化對其不同彎曲方向和彎曲角度實(shí)現(xiàn)了定性和定量的測量。彎曲變形監(jiān)測結(jié)果可以得到形狀記憶材料形狀回復(fù)過程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)和最終回復(fù)形狀，能夠有效促進(jìn)形狀記憶聚合物薄膜在柔性彎曲可展開結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用發(fā)展。
　　此外，針對微光學(xué)領(lǐng)域?qū)烧{(diào)諧光學(xué)無源器件的需求，利用形狀記憶聚合物表面微觀結(jié)構(gòu)的形狀記憶特性，設(shè)計(jì)并研制了兩種能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)特性轉(zhuǎn)換的薄膜結(jié)構(gòu)。首先采用旋涂成膜或澆注成膜的工藝，制備了厚度

6、可控的具有表面微結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物薄膜樣品，其薄膜表面初始狀態(tài)精準(zhǔn)復(fù)刻了硅基表面的微結(jié)構(gòu)圖案，可對透過光產(chǎn)生明顯的衍射效應(yīng)；其次采用納米熱壓印技術(shù)，在預(yù)制備的光滑薄膜表面制備了具有微結(jié)構(gòu)圖案的薄膜樣品，該薄膜表面初始狀態(tài)為平滑表面，具有良好的光學(xué)透明度，臨時(shí)固定態(tài)的表面具有微結(jié)構(gòu)圖案。同時(shí)采用多種性能測試手段對制備的薄膜表面微觀形貌、靜態(tài)力學(xué)性能、動態(tài)力學(xué)性能及其形狀記憶特性進(jìn)行系統(tǒng)研究與表征。
　　最后，以表面為溝槽型微光柵結(jié)

7、構(gòu)的薄膜為研究對象，對其表面微結(jié)構(gòu)的衍射光譜特性進(jìn)行定性和定量分析，得出了薄膜透射衍射光的方向及強(qiáng)度的變化情況和薄膜表面微結(jié)構(gòu)在熱激勵下的主動壓縮變形回復(fù)行為對其透過光強(qiáng)及衍射光譜的影響，驗(yàn)證了薄膜結(jié)構(gòu)可作為光學(xué)衰減器及光能量分束器等無源器件的可行性?；谛螤钣洃浘酆衔锉∧さ谋砻嫖⒔Y(jié)構(gòu)的力學(xué)壓縮特性和光學(xué)衍射特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了三種分束形式的薄膜結(jié)構(gòu)作為可調(diào)諧薄膜光分束器，實(shí)現(xiàn)了將入射光束從一束到多束，從多束到一束，和從二維光束分布到一維光